Die Autonomie der Baumaschinen

Autonome Baumaschinen definieren den Bauprozess von Morgen – Teil 1

Der technische Fortschritt wächst und wächst. Nachdem diverse Branchen wie die Elektronik- und Unterhaltungsbranche oder der Industriesektor von eben jenem Fortschritt profitierten, ist es nun die Baubranche, die ihre Chance im technischen Wandel erkannt hat. Auf der Suche nach immer nutzerfreundlicheren, ressourcenschonenden und schnelleren Modellen für die Zukunft, bahnt sich die technische Entwicklung zunehmend ihren Weg zur Revolutionierung der Baubranche. Vor allem der Begriff der Autonomie spielt dabei eine entscheide und vielversprechende Rolle. Der rasante Fortschritt in der Automobilindustrie macht es vor – Autonome Fahrzeuge sind längst keine Science Fiction mehr, sondern greifbare Visionen. Erste autonome Baumaschinen werden schon in Serie produziert und erleichtern bereits heute den Alltag auf Baustellen.

Die Eigenschaften autonomer Baumaschinen

Um verstehen zu können, welche Aufgaben autonome Baumaschinen übernehmen und wie sie Prozesse vereinfachen können, sollte zunächst definiert werden, ab wann eine Maschine als autonom bezeichnet werden kann. Das Wort ‘autonome’ an sich kommt aus dem Griechischen und meint wörtlich übersetzt ‘selbstständig’. Genau dieser Aspekt der Selbstständigkeit bildet den zentralen Wert, wenn es um das Thema Autonomie geht. Dennoch fasst dieser Begriff keine eindeutige Definition, sondern kann verschiedene Level von autonomen Eigenschaften beinhalten. Im Bereich der autonomen Fahrzeuge spricht man vom 5 Stufen Modell der Autonomie. Angefangen mit einfach integrierten Assistenzsysteme, wie Spurhalteassistenten in Stufe 1 über verschiedene Stufen (Stufe 2-4) des Automatisierungsgrades (von leichter Automatisierung bis hin zur Vollautomatisierung) hinaus, nimmt die Verantwortung des Fahrers immer weiter ab und die des Fahrzeuges zu. In der letzten Stufe 5 ist der Fahrer dann lediglich noch für die Festsetzung der Ziele zuständig, der Ablauf läuft vollkommen selbstständig. Die wichtigsten Eigenschaften autonomer Maschinen sind, dass sie eigenständig Entscheidungen treffen können und lernfähig sind. Besonders wenn es um einfache, sich wiederholende Tätigkeiten geht, können autonomen Maschinen derzeit einen erheblichen Mehrwert bieten und Arbeiter vor Ort entlasten.

So können die Software gestützten Maschinen Erkenntnisse aus ihren bisherigen Erfahrungen gewinnen und aus diesen für zukünftige Aufgaben lernen. Es muss also nicht jedes Szenario vorprogrammiert werden, da Muster von Aufgabentypen erkannt werden können. Sie können vorprogrammierte Schritte selbstständig kombinieren und, sofern die Technik des Gegenübers (kompatible, ähnlich weit fortgeschrittene Software) es erlaubt, kommunizieren. Das Agieren der anderen zum Bauprozess dazugehörigen Maschinen kann so in ihr Verhalten integriert werden. Konkret bedeutet dies, dass autonome Baumaschinen (zukünftig) dazu dienen können, Prozesse fehlerfrei, pausenlos und ressourcenschonend ausführen. Aufwendige oder gesundheitsschädigende Tätigkeiten können vom Menschen an die selbstbestimmten Geräte abgegeben werden. Das Fahren der Baumaschinen aus der Kabine heraus ist nicht mehr zwangsläufig notwendig, sodass sich diese ehemaligen Tätigkeitsbereiche in die Koordinierung und Überwachung der einzelnen autonomen Einheiten verlagern.

Der Einsatz autonomer Baumaschinen in der Praxis

Caterpillar – Autonomer Transport im Bergbau

Autonome Caterpillar Bergbaulastwagen
Cat MineStar™ Automation

Der weltweit größte Hersteller von Baumaschinen hat es sich mit der Entwicklung der ‘Cat MineStar™ automation’ zum Ziel gemacht, den Bergbau zu revolutionieren. Die Idee hinter der bereits weitreichend eingesetzten Technologie ist die folgende: Einzelne Bergbaulastwagen oder sogar ganze Flotten von Lastwagen sind so programmiert, dass sie bei Aktivierung genau wissen, wie und wo sie sich für das Beladen positionieren müssen und zu welchen Verladestellen sie danach fahren sollen. All das geschieht vollkommen selbstständig, ohne dass ein Fahrer in der Kabine sitzen muss. Der Arbeiter sorgt lediglich für die Aktivierung und Betreuung der Maschinenflotte. Möglich gemacht wird dies durch die Control und On-board intelligence Systeme, welche der Maschine mitteilen, was sie erledigen soll und wo sie dafür hinfahren muss. Dank der integrierten Systeme kann der Lastwagen über eine Karte erkennen, welcher Weg die schnellste und sicherste Variante zur Erledigung der Aufgabe darstellt. Hindernisse auf einer vorgegebenen Route können erkannt und umgangen werden. Über die ‘Cat Command’ Technologie wird es dem Kunden darüber hinaus möglich gemacht, zu entscheiden, welches Level der Automatisierung für sein Projekt am sinnvollsten ist. So kann je nach Bedarf und Problemstellung lediglich das Assistenzsystem oder die komplette Vollautomatisierung aktiviert werden. Caterpillar schafft es mit dieser autonomen Technologie gleich mehrere Risiken im Bergbau anzugehen. Ermüdungen durch hohe Arbeitspensen in der stetig nachgefragten Industrie können zu menschlichen Fehlern und einer erhöhten Unfallgefahr führen. Auch der erhöhte Fachkräftemangel oder fehlende infrastrukturelle Gegebenheiten in den zu Teilen sehr abgelegenen Gebieten stellen die Auftragnehmer vor wachsende Herausforderungen. Mithilfe autonomer Fahrzeuge kann diesen Barrieren entgegengewirkt werden. Durch eine Minimierung des eingesetzten Personals vor Ort wird die Sicherheit durch geringere Verletzungsgefahren reduziert und die Produktivität durch vorprogrammierte Abläufe und pausenlose Einsatzmöglichkeiten ohne Schichtwechsel erhöht. Ebenso verhelfen die autonomen Fahrzeuge zu genauer planbaren Arbeitsabläufen.

Komatsu – Autonomie von Dozern und Baggern

Selbstfahrende Dozer von Komatsu
Innovative, autonome Transportfahrzeuge von Komatsu

Auch der weltweit zweitgrößte Baumaschinenhersteller Komatsu geht in Sachen Maschinenautonomie mit großem Beispiel voran. 2015 stellte die japanische Firma ihre vier autonomen Dozer (D61i-23) und den autonomen Bagger PC210LCi-10 kommerziell zur Verfügung. Die Maschinen sollen vor allem im Bereich der Fundamentvorbereitungen einsetzbar sein. Kernstück dieser Baumaschinen ist die Intelligent Machine Control Technology (iMC), die es den Fahrzeugen ermöglicht, autonom zu fahren und zu arbeiten. Wesentliche Bestandteile der Funktionsweise sind darüber hinaus die besondere Sensorik, die mit 3D Laserscannern und Stereo Kameras arbeitet sowie die fortgeschrittene Software, die die Steuerung der Maschinen vom Monitor aus ermöglicht. Mithilfe von Drohnen des US-amerikanischen Konzerns Skycatch erfolgt die Koordinierung der Fahrzeuge. Die Drohnen kreisen über den selbstfahrenden Einheiten und können somit die Überwachung des gesamten Prozesses übernehmen.

Dank dieser Elemente gelingt es auch Personal ohne spezifische Fachkenntnisse, die Maschinen zu koordinieren. Dies stellt eine erhebliche Erleichterung dar, da laut eines Berichts des Wall Street Journals allein in den USA 83% der Bauunternehmen über einen klaren Mangel an ausgebildeten Fachkräften klagen. Dieser Mangel scheint auch an der deutschen Baubranche nicht spurlos vorbei zu gehen. So gingen im vergangenen Jahr über 5.500 Arbeiter der Branche mehr in Rente als neue Auszubildende ihre Laufbahn begonnen. Angesichts des deutschen Baubooms stellt dies Unternehmen vor Herausforderungen. Dieser Problematik kann durch autonome Maschinen allerdings entgegengewirkt werden. Auch langwierige Tätigkeiten, die zuvor von Menschenhand ausgeführt wurden, können nun stressfrei vom Computer aus gesteuert werden. Akinori Onodera, Präsident der ‘SmartConstruction’ Einheit bei Komatsu, bestätigt dies und erklärt, dass Arbeiten, die zuvor innerhalb einer Woche erledigt wurden, dank der autonomen Dozer und Bagger nun innerhalb einer bis zwei Stunden erledigt werden. So zeigt sich, dass durch die Entwicklungen von Komatsu und die stetigen Verbesserungen der Software langfristig Zeit, Geld und Ressourcen eingespart werden können.  Damit wird eine wichtige Grundlage für ein zukünftiges Arbeiten auf der Baustelle geliefert.

Volvo CE – Die autonome Zusammenarbeit von Radlader und Dumper

Autonome Baustellenfahrzeuge von Volvo
Ein Radlader der Baureihe L120 und ein Dumper des Typs A25F in autonomer Interaktion

Auch Volvo Construction Equipment wollte es sich als einer der größten Baumaschinenhersteller der Welt nicht entgehen lassen, ihre Forschung in Richtung autonome Baumaschinen voranzutreiben und die Potentiale, die diese Entwicklung mit sich bringen könnte, in ihr Produktportfolio zu integrieren. Im September 2016 gelang es Volvo CE dann erstmals, ihre ersten selbstständig fahrenden Radlader und Dumper an einem realen Auftrag eines schwedischen Asphaltwerkes zu testen.

Bestandteil dieses wichtigen Testlaufes war die Zusammenarbeit von Radlader und Dumper. Der Radlader aus der Baureihe L120 nahm dabei die Asphaltmasse auf und kippte diese in den knickgelenkten Dumper des Typs A25F. Der Dumper wartete, bis er die Last vollständig erhalten hatte und kippte diese an einem festgelegten Ort wieder aus. Im Anschluss wurde die Aktion der beiden Maschinen mehrfach wiederholt – vollkommen selbstständig. Notwendig für dieses sich wiederholende Manöver war eine exakte Programmierung der Maschinen für den konkreten Ablauf der Arbeitsschritte auf einer vorgezeichneten Route. Zum jetzigen Zeitpunkt der technischen Entwicklung können die autonomen Baumaschinen so bereits 70% dessen schaffen, was ein erfahrener Mitarbeiter schaffen würde.

Volvo CE sieht darin bereits einen großen Erfolg und erhofft sich von der Weiterentwicklung ihres neuesten Projektes viele Vorteile für ihre Kunden. Unter anderem sollen die Tätigkeiten der Radlader und Dumper für einen sehr langen Zeitraum und ohne Pausen ausführbar sein, Fehler minimiert sowie das menschliche Unfallrisiko eliminiert werden. Darüber hinaus sollen die Aufgaben zukünftig noch einheitlicher und präziser ausgeführt sowie Kraftstoff durch effiziente Routen und Arbeitsschritte eingespart werden. Dies soll durch eine Betreuung der Maschinen per Computer gewährleistet werden. Der Mitarbeiter kann sich übersichtlich ein Gesamtbild von der derzeitigen Lage auf der Baustelle machen und die Maschinen so noch gezielter in den jeweiligen Bereichen einsetzen. Für die Arbeiter erhoffen sich die Entwickler einen stressfreieren, sichereren und qualitativ hochwertigeren Arbeitsalltag, indem dieser nicht mehr auf der Baustelle direkt, sondern koordinativ am Schreibtisch arbeiten kann.

Doch trotz all der Vorteile und Visionen, sehen sich die zuständigen Maschinenbauer noch immer vor Herausforderungen gestellt. Zum bisherigen Zeitpunkt der Entwicklungen sind die Maschinen ‘lediglich’ direkt aufeinander programmiert und Abläufe genau vorgegeben. Allerdings findet noch keine Kommunikation zwischen Radlader und Dumper statt. Dies wäre jedoch notwendig, um auf Veränderungen im Prozess – zum Beispiel eine veränderte Menge des notwendigen Verladematerials – reagieren zu können. Eine Kommunikation zwischen beiden Maschinen ist hier unabdingbar.

Ebenso ist auch die Erhöhung der Leistungsfähigkeit, die über das Maß der Produktivität eines erfahrenen Arbeiters hinaus reicht, noch immer ein zentraler Bestandteil der Verbesserungsphasen.

Für die Zukunft erhofft sich Jenny Elfsberg, Direktorin für aufstrebende Technologien bei Volvo CE, dass ein Mitarbeiter gleichzeitig mehrere autonome Fahrzeuge betreuen kann, um Kosten und Humankapital effizient einsetzen zu können. Ebenso glaubt sie daran, dass beim Bau der Maschinen durch ihre Autonomie in Kürze vollständig auf die Fahrerkabine verzichtet werden kann. Die Baumaschine wird dadurch noch kompakter und robuster.  

Fazit

Zusammenfassend zeigt sich, dass die technischen Innovationen in Richtung autonome Baumaschinen immer weiter voranschreiten. Dass sich gerade die großen Hersteller wie Caterpillar, Komsatsu oder Volvo mit der Entwicklung Autonomer Maschinen auseinandersetzen, ist kein Zufall. Sie haben den Trend der Branche erkannt und wollen sich rechtzeitig als führende Marken im Bereich der zukunftsorientierten Baumaschinen auf dem Markt platzieren, um ihren Kunden künftig noch optimiertere, vereinfachte und sichere Lösungen für ihren Baualltag ermöglichen zu können. Auch erfolgreiche, durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Projekte wie das AutoBauLog Projekt (Autonome Steuerung in der Baustellenlogistik) zeigen auf, dass auch die Bundesregierung auf die Forschung und Weiterentwicklung autonomer Baustellenprozesse setzt.

Im nächsten Beitrag unserer Reihe werfen wir einen genaueren Blick auf die Zukunftsmodelle der Baumaschinenhersteller und eruieren, welche Auswirkungen diese Modelle auf das zukünftige Arbeiten auf der Baustelle haben könnten.

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